Računarske mreže

Link sloj

• Skupa sa fizičkim slojem formira lokalnu mrežu (LAN - Local Area Network) u kojoj je moguća komunikacija direktno kroz dijeljeni mediji bez ikakve konfiguracije.
  • Još u upotrebi termin MAC (Media Access Control) i/ili L2 sloj.

Mediji za direktnu komunikaciju:

• Kabl (Ethernet, Powerline)
• Zrak: (GSM, WiFi itd.)

Ključne funkcije

• Kontrolisanje pristupa dijeljenom mediju kako bi se omogućila komunikacija između svih stanica.
  • Protokoli: ALOHA, CSMA, CSMA/CA, CSMA/CD itd.
• Adresiranje
• Format razmijenjenih poruka, koje se obično nazivaju okviri (frames).

ALOHA

Algoritam slanja okvira:

i = 1
while (i <= maxPokušaja) do
    send frame
    wait for acknowledgement or timeout
    if ack received then break
    wait for random time
increment i
end do

CSMA - carrier sense multiple access

Unapređuje ALOHA protokol uvođenjem hardvera za slušanja stanja kanala prije slanja okvira.

Algoritam slanja okvira:

i = 1
while (i <= maxAttempts) do
    wait until channel idle
    transmit immediately
    wait for acknowledgement or timeout
    if ack received then break
    wait random time
    increment i
end do

• Zbog propagacije signala neke kolizije još uvijek nije moguće izbjeći.
• Efikasan za situacije u kojima je vrijeme slanja okvira značajno duže od vremena propagacije signala.

CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection

Unapređuje CSMA ukidanjem potvrda i uvođenjem osluškivanja kanala u toku transmisije okvira.

Algoritam slanja okvira:

i = 1
while (i <= maxAttempts) do
    listen until channel is idle
    transmit and listen
    wait until (end of transmission) or (collision detected)
    if collision detected then 
        stop transmitting /* after 32 bits (“jam”)*/
  else 
        wait for interframe delay 
      break 
    wait random time
    increment i
end do

Okvir mora biti minimalne dužine da u toku njegove transmisije garantuje detekciju kolizije.

• Ethernet ograničenja: max dužina 2 km za 10 Mb/s, 200m za 100 Mb/s.

Ethernet adresiranje i komunikacija

Svaka stanica ima unikatnu adresu:

• MAC adresa 48 bitni broj u formatu: 08:00:20:71:0d:d4

• Predstavlja serijski broj adaptera koji uključuje identifikator proizvođača i redni broj proizvedene kartice format:

  MM:MM:MM:SS:SS:SS

Kreiranje i procesiranje okvira:

1. Pošiljalac stavlja u okvir svoju MAC adresu, MAC adresu destinacije i podatke koje šalje.
2. Sve stanice primaju okvir.
   • Podatke iz okvira procesira samo stanica čija MAC adresa odgovara destinaciji, ostale stanice odbacuju cijeli okvir.

Broadcast

Specijalni slučaj predstavlja destinacijska adresa u okviru ff:ff:ff:ff:ff:ff koja upućuje da sve stanice u LAN-u trebaju procesirati podatke u okviru - tzv. LAN broadcast.

Destinacijska stanica procesira primljene podatke samo ukoliko utvrdi da unutar okvira nije bilo korupcije pojedinačnih bita, u suprotnom odbacuje okvir.

10Base2

• Tehnologija iz 80-ih, bazirana na koaksijalnim kablovima i BNC T konektorima.
• Koristi Mančester kodiranje pojedinačnih bita na kablu.
• Max brzina 10 Mbit/s
• Skaliranje mreže zahtijeva prekid u radu.
• Problem na jednom konektoru izaziva prekid u cijeloj mreži.

10Base-T

Formira LAN puterm HUB-a

• uređaj sa više konektora za svaku pojedinačnu stanicu.
• bite dobijene na jednom portu hub ponavlja na ostalim portovima.

Omogućava topologiju mreže u formi stabla mada su sve stanice još uvijek u jednom domenu kolizije.

Bridge

Bridge je računar sa više mrežnih adaptera (portova) koji:

• Softverski analizira adrese u okvirima i dinamički formira tabelu za proslijeđivanje okvira u odgovarajuće portove.
• Efektivno omogućava separaciju domena kolizije unutar jednog LAN-a.

Moderni ethernet

Umjesto koaksijalnog kabla koristi se UTP parica (Unshielded twisted pair).

• minimalno dva para žica za istovremeno slanje i primanje podataka (full duplex)
• podržane brzine: 100 Mbit/s, 1 Gbit/s i 10 Gbit/s.

Umjesto hub-a mrežna topolgija se formira sa switch-evima:

• Switch je efektivno bridge sa svim funkcijama implementiranim direktno u hardveru.
• U mreži nema kolizije pri slanju okvira, dakle nema potrebe za CSMA/CD.

Ethernet okvir

EtherType - identificira sadržaj okvira. Najčešći sadržaj:

• 0x0800 - IPv4
• 0x0806 - ARP
• 0x86DD - IPv6

CRC - predstavlja redundatne bite u okviru koji se dodaju za provjeru ispravnosti u transmisiji okvira.

• CRC se računa pomoću posebne funkcije koja uzima u obzir ostale bajte iz okvira.
• Destinacijska mašina konzumira sadržaj okvira samo ukoliko proračuna CRC koji je identičan primljenom.
• Vjerovatnoća da proizvoljna korupcija bita ostane nedetektovana je 2e-10.

Mrežni sloj

• MAC sloj omogućava lokalnu komunikaciju koja nije skalabilna.
• Mrežni sloj ima glavni zadatak da omogući geografski distribuiranu mrežu za komunikaciju:
  • formira jednu mrežu kao skupinu LAN-ova (podmreža) koji su međusobno povezani putem usmjerivača (router) , uređaja koji između LAN-ova proslijeđuju podatke u uniformnoj formi koja se zove paket (IP paket).

Mrežni sloj

• Uvodi koncept globalne adrese mrežnog sloja.
• Adrese su logičke i struktuirane tako da olakšavaju umjeravanje paketa i sastoje se od dva dijela:
  1. subnet ili prefix — dio bita u adresi koji identificira LAN
  2. host id — dio bita u adresi koji identificira konkretni mrežni adapter u LAN-u

Slanje paketa

Host prilikom slanja paketa, na osnovu svoje mrežne adrese i mrežne adrese destinacije, čini slijedeće:

1. Ukoliko je subnet destinacijske adrese isti kao njegov subnet, host stavlja paket u L2 okvir i isti šalje direktno na destinaciju unutar LAN-a.
2. U suprotnom, paket se stavlja u L2 okvir koji se adresira router-u unutar LAN-a, tzv default gateway.

Prilikom konfiguracije mrežnog sloja za svaki host, pored IP adrese i prefiksa, potrebno je specificirati IP adresu za default gateway.

• Unutar samog paketa koji se uglavljuje u okvir koji se šalje, host upisuje adresu mrežnog sloja adaptera preko kojeg vrši slanje, kao i mrežnu adresu destinacije.

ARP protokol

• Očigledan problem je kako na osnovu poznate mrežne adrese pronaći destinacijsku link adresu za adresiranje L2 okvira u kojem se šalje paket bilo router-u ili direktno host-u.
• Za pronalaženje link adrese IPV4 protokol koristi ARP (Address Resolution Protokol).

Prije slanja paketa za poznatu mrežnu adresu a nepoznatu MAC adresu, host u LAN-u šalje poseban okvir (EtherType- 0x0806), i to svim sudionicima LAN-a (broadcast), unutar kojeg formira ARP zahtijev (request)

• Zahtijev je efektivno upit u formi — “Ko ima datu IP adresu?”

Nakon što procesira ARP zahtijev, samo desticijski host šalje ARP odgovor (response) u koji upisuje svoju MAC adresu.

Nakon što primi ARP odgovor, dobiveno IP -> MAC mapiranje host snima u ARP cache za buduće slanje paketa.

• mapiranje se briše iz keša nakon isteka nekog fiksnog vremenskog perioda.

Sve ARP poruke su u istom formatu:

Primjer ARP zahtijeva unutar Ethernet okvira:

Ethernet II
    Destination: ff:ff:ff:ff:ff:ff (ff:ff:ff:ff:ff:ff)
    Source: 00:03:93:a3:83:3a (Apple_a3:83:3a)
    Type: ARP (0x0806)
    Trailer: 00000000000000000000000000000000...
Address Resolution Protocol (request)
    Hardware type: Ethernet (0x0001)
    Protocol type: IP (0x0800)
    Hardware size: 6
    Protocol size: 4
    Opcode: request (0x0001)
    Sender MAC address: 00:03:93:a3:83:3a (Apple_a3:83:3a)
    Sender IP address: 129.88.38.135 (129.88.38.135)
    Target MAC address: 00:00:00:00:00:00 (00:00:00_00:00:00)
    Target IP address: 129.88.38.254 (129.88.38.254)

Za update mapiranja svih hostova u mreži host šalje Gratuitous ARP reply, ili Announcement.

• Primjeri upotrebe: